DE1263164B - Control procedure for changing the frequency and voltage of an inverter operating in switching mode - Google Patents
Control procedure for changing the frequency and voltage of an inverter operating in switching modeInfo
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Description
Steuerverfahren zur Veränderung der Frequenz und der Spannung eines im Schaltbetrieb arbeitenden Wechselrichters Es ist bekannt, aus Gleichstrom mit Hilfe von Wechselrichtern Wechselspannungen zu erzeugen. Man kann auch durch Verwendung von beispielsweise drei einzelnen Wechselrichtern, die aus derselben Gleichstromquelle gespeist werden, ein normales Drehstromsystem mit 120° Phasenverschiebung aufbauen. Die dabei verwendeten Wechselrichter arbeiten lediglich als Schalter und setzen die Gleichspannung zu einer Rechteck-Wechselspannung zusammen. Wird eine sinusförmige Ausgangsspannung verlangt, so müssen zusätzlich Siebmittel eingesetzt werden.Control method for changing the frequency and voltage of a in switching operation inverter It is known from direct current with Using inverters to generate alternating voltages. One can also by using for example three individual inverters from the same DC source be fed, build a normal three-phase system with 120 ° phase shift. The inverters used only work as switches and set the direct voltage to a square wave alternating voltage. Becomes a sinusoidal Output voltage is required, sieve media must also be used.
Diese bekannte Anordnung hat gewisse Nachteile: Der Wechselrichter arbeitet mit der für die Belastung geforderten Frequenz. Handelt es sich hierbei um. eine relativ niedrige Frequenz (z. B. 50 Hz), so sind die zur Erzielung einer sinusförmigen Spannung erforderlichen Siebmittel außerordentlich groß. Soll die Frequenz geändert werden, dann sind entsprechende Eingriffe in die Steuerung der im Wechselrichter enthaltenen Schaltelemente erforderlich. Bei der Veränderung der Frequenz dieser bekannten Wechselrichter bleibt jedoch die Amplitude der Rechteckspannung unverändert, da die Schalter die Spannung der Gleichstromquelle lediglich fortlaufend umpolen. Hierdurch entstehen Schwierigkeiten, wenn der Verbraucher aus einer Eiseninduktivität besteht (z. B. Wechselstrommotor, Rüttelantrieb, Magnetverstärker). Solche Verbraucher sind bekanntlich aus wirtschaftlichen und raumsparenden Gründen so ausgelegt, daß die Induktion im Eisen einen durch die Sättigung und die Eisenverluste begrenzten Höchstwert hat. Diese Induktion bleibt nur konstant, solange das Verhältnis der Größe der speisenden Spannung zur Frequenz der speisenden Spannung konstant bleibt. Wird also beispielsweise ein Wechselstrommotor über einen Wechselrichter bekannter Art gespeist, so ist dieser Motor bei Heraufsetzung der Speisefrequenz nicht mehr voll ausgenutzt, da die Spannung dieses Wechselrichters konstant bleibt.This known arrangement has certain disadvantages: The inverter works with the frequency required for the load. Is it here? around. a relatively low frequency (e.g. 50 Hz), then those are necessary to achieve a sinusoidal voltage required screen means extremely large. Should the Frequency are changed, then appropriate interventions in the control of the Switching elements contained in the inverter are required. When changing the However, the frequency of this known inverter remains the amplitude of the square-wave voltage unchanged, since the switches only continuously control the voltage of the direct current source reverse polarity. This creates difficulties when the consumer is out of an iron inductance exists (e.g. AC motor, vibration drive, magnetic amplifier). Such consumers are known for economic and space-saving reasons so designed that the induction in iron is limited by saturation and iron losses Has maximum value. This induction only remains constant as long as the ratio of The size of the feeding voltage to the frequency of the feeding voltage remains constant. For example, an AC motor via an inverter is becoming more popular Kind of fed, this motor is no longer when the feed frequency is increased fully utilized as the voltage of this inverter remains constant.
Es ist weiterhin bereits ein Steuerverfahren zur Veränderung der Frequenz und der Spannung eines im Schaltbetrieb arbeitenden Wechselrichters bekanntgeworden, bei dem durch periodische Impulsbreitenmodulation der Mittelwert der Ausgangsspannung des mit konstanter und relativ hoher Frequenz arbeitenden Wechselrichters sinusförmig schwankt und die so entstehende Unterwelle über Siebmittel, die zur Zurückhaltung der höhenfrequenten Spannungen dienen, dem Verbraucher zugeführt wird, wobei diese Unterwelle in ihrer Frequenz durch Veränderung der Periode der Impulsbreitenmodulation und in ihrer Amplitude durch Veränderung der Intensität der periodischen Impulsbreitenschwankung einstellbar ist.It is still a control method for changing the frequency and the voltage of an inverter operating in switching mode became known, in which the mean value of the output voltage is determined by periodic pulse width modulation of the inverter, which operates at a constant and relatively high frequency, is sinusoidal fluctuates and the resulting lower wave over sieve means that leads to restraint the high-frequency voltages are used, the consumer is supplied, these Sub-wave in its frequency by changing the period of the pulse width modulation and in their amplitude by changing the intensity of the periodic pulse width fluctuation is adjustable.
Es werden also bei diesem bekannten Verfahren zunächst Sinushalbwellen gebildet, die, um eine sinusförmige Wechselspannung zu ergeben, jedoch nachteiligerweise eine besondere periodische Umpolung im Takt der niederfrequenten Spannung erfordern.In this known method, half-sine waves are therefore initially used formed, which to give a sinusoidal alternating voltage, but disadvantageous require a special periodic polarity reversal in the cycle of the low-frequency voltage.
Die Erfindung betrifft ein Steuerverfahren zur Veränderung der Frequenz und der Spannung eines im Schaltbetrieb arbeitenden Wechselrichters, bei dem auf jeden positiven Impuls ein negativer Impuls folgt.The invention relates to a control method for changing the frequency and the voltage of an inverter operating in switching mode, in which on every positive impulse is followed by a negative impulse.
Erfindungsgemäß schwankt durch Veränderung des Verhältnisses der Dauer des positiven und des negativen Impulses innerhalb einer Periode der Mittelwert der Ausgangsspannung des mit konstanter und relativ hoher Frequenz arbeitenden Wechselrichters sinusförmig; und es wird die so entstehende Unterwelle über Siebmittel, die zur Zurückhaltung der höhenfrequenten Spannung dienen, dem Verbraucher zugeführt, wobei diese Unterwelle in. ihrer Frequenz durch Veränderung der Periode der Impulsbreiten= modulation und in ihrer Amplitude durch Veränderung der Intensität der periodischen Impulsbreitensehwankung einstellbar ist.According to the invention, the duration fluctuates as the ratio changes of the positive and negative pulse within one period is the mean value the output voltage of the inverter operating at a constant and relatively high frequency sinusoidal; and the resulting sub-wave is passed over sieve means that are used for Serve restraint of the high frequency voltage, supplied to the consumer, whereby this sub-wave in its frequency by changing the period of the pulse widths = modulation and in its amplitude by changing the intensity of the periodic Pulse width fluctuation is adjustable.
Der Vorteil des Erfindungsgegenstandes gegenüber der vorstehend beschriebenen bekannten Anordnung besteht darin, daß die periodisch notwendige Umpolungsschalthandlung auf Grund einer entsprechenden Steuerung der höhenfrequenten Wechselspannung vermieden ist. An Hand der F i g. 1 bis 3 soll die Erfindung näher erläutert werden. In F i g. 1 ist mit 1 ein an sich bekannter, im Schaltbetrieb arbeitender Wechselrichter bezeichnet. Er wird von der Gleichspannungsquelle 2 gespeist. Seine Ausgangsspannung U" wird über Siebmittel, die in dem Ausführungsbeispiel aus einer Längsinduktivität 4 und einer Querkapazität 5. bestehen, einem Verbraucher 3 zugeführt. Dieser Verbraucher 3 ist im Ausführungsbeispiel als induktiver Verbraucher dargestellt und kann z. B. eine Ständerwicklung eines Asynchronmotors sein. Der Wechselrichter 1 arbeitet mit einer Frequenz, die erheblich größer ist als die für den zu speisenden Verbraucher 3 erforderliche Frequenz. Solange die Umschaltsteuerung der im Wechselrichter 1 enthaltenen Schalter nicht beeinflußt wird, erhält man als Ausgangsspannung U" die in F i g. 2 a dargestellte Rechteckspannung. t bedeutet die Zeitachse. Die Fläche unter den positiven und negativen Halbwellenblöcken ist konstant. Da die Frequenz dieser Rechteckspannung U" sehr hoch ist, fällt die gesamte Spannung an der vorgeschalteten Induktivität 4 ab, während der induktive Verbraucher 3 durch den Kondensator 5 gegenüber der hohen Frequenz praktisch kurzgeschlossen ist. An den induktiven Verbraucher 3 gelangt also keine Spannung.The advantage of the subject matter of the invention over the one described above known arrangement is that the periodically necessary polarity reversal switching action avoided due to a corresponding control of the high frequency alternating voltage is. On the basis of FIG. 1 to 3 are intended to explain the invention in more detail will. In Fig. 1 is with 1 a known per se, working in switching mode Inverter called. It is fed by the DC voltage source 2. His Output voltage U "is via filter means, which in the exemplary embodiment consists of a Series inductance 4 and a transverse capacitance 5 exist, fed to a consumer 3. This consumer 3 is shown in the exemplary embodiment as an inductive consumer and can e.g. B. be a stator winding of an asynchronous motor. The inverter 1 works with a frequency that is considerably higher than that for the to be fed Consumer 3 required frequency. As long as the switching control of the in the inverter 1 is not influenced, the output voltage U " the in F i g. 2 a shown square wave voltage. t means the time axis. The area between the positive and negative half-wave blocks is constant. Because the frequency this square-wave voltage U "is very high, the entire voltage drops at the upstream Inductance 4 from, while the inductive load 3 through the capacitor 5 opposite the high frequency is practically short-circuited. To the inductive consumer 3 is no voltage.
Durch eine periodische Impulsbreitenmodulation wird nun der Mittelwert der Ausgangsspannung U" sinusförmig verändert. Die positiven und negativen Halbwellenblöcke der Ausgangsspannung U" sind nicht mehr gleich groß, sondern ändern sich nach einer Sinusfunktion. Der hochfrequenten Spannung U" wird also eine niederfrequente Spannung Uä unterlagen (F i g. 2b). Gegenüber dieser niederfrequenten Spannung stellt die Induktivität 4 kein Hindernis dar, während der Kondensator 5 wegen seines hohen Blindwiderstandes als nicht vorhanden zu betrachten ist. Die niederfrequente Spannung liegt also am Verbraucher 3. Verändert man die Periode, mit der die Impulsbreitenmodulation schwankt, so ändert sich auch die Frequenz der am Verbraucher 3 liegenden Spannung.Periodic pulse width modulation now changes the mean value of the output voltage U "sinusoidally. The positive and negative half-wave blocks of the output voltage U" are no longer the same size, but change according to a sinusoidal function. The high-frequency voltage U "is therefore subject to a low-frequency voltage Uä (FIG. 2b). The inductance 4 does not represent an obstacle to this low-frequency voltage, while the capacitor 5 is to be regarded as not present because of its high reactance. The low-frequency voltage is therefore on consumer 3. If the period with which the pulse width modulation fluctuates is changed, the frequency of the voltage on consumer 3 also changes.
Die Größe der niederfrequenten Ausgangsspannung kann durch die Intensität der periodischen Impulsbreitenschwankung verändert werden, d. h., das Verhältnis von t1 zu t2 (F i g. 2 b) ändert sich mehr oder weniger stark. Man kann also die Amplitude der Unterwellenspannung Uä verändern, obgleich die Amplitude der Ausgangsspannung U, des schaltenden Wechselrichters unverändert bleibt. Will man also beispielsweise erreichen, daß eine zu speisende Eiseninduktivität trotz Veränderung der Frequenz der speisenden Spannung stets mit gleicher Induktion betrieben wird, so braucht man nur dafür zu sorgen, daß die Intensität der periodischen Impulsbreitenschwankung und die Periode der Impulsbreitenmodulation gleichzeitig so verändert werden, daß der Quotient aus Amplitude und Frequenz der Unterwelle annähernd konstant bleibt. Im Wechselrichter selbst ist letztlich natürlich nur das Verhältnis von t,: t2 einstellbar; denn sowohl die Frequenz wie die Amplitude der Unterwelle werden durch das Verhältnis t,.: t2 bestimmt. Man kann sich den Vorgang so vorstellen, daß das Verhältnis ti : t2 von einer sinusförmigen Wechselspannung gesteuert wird. Ist der Augenblickswert dieser Wechselspannung gerade Null, so hat das Verhältnis t1 : t2 den Wert Eins. Durch die Vorgabe der Frequenz dieser Wechselspannung über den Eingang 1. f wird die Frequenz: der Unterwelle verändert und durch Vorgabe der Amplitude dieser Wechselspannung über den Eingang 1a wird die Amplitude der Unterwellenspannung verändert.The size of the low-frequency output voltage can be changed by the intensity of the periodic pulse width fluctuation, ie the ratio of t1 to t2 (FIG. 2 b) changes to a greater or lesser extent. The amplitude of the sub-wave voltage Uä can therefore be changed, although the amplitude of the output voltage U, of the switching inverter remains unchanged. If one wants to achieve, for example, that an iron inductance to be fed is always operated with the same induction despite a change in the frequency of the feeding voltage, one only needs to ensure that the intensity of the periodic pulse width fluctuation and the period of the pulse width modulation are changed at the same time so that the quotient of the amplitude and frequency of the sub-wave remains approximately constant. Ultimately, of course, only the ratio of t: t2 can be set in the inverter itself; because both the frequency and the amplitude of the sub-wave are determined by the ratio t,.: t2. The process can be imagined in such a way that the ratio ti : t2 is controlled by a sinusoidal alternating voltage. If the instantaneous value of this alternating voltage is zero, the ratio t1 : t2 has the value one. By specifying the frequency of this alternating voltage via the input 1. f, the frequency of the sub-wave is changed and by specifying the amplitude of this alternating voltage via the input 1a, the amplitude of the sub-wave voltage is changed.
Will man einen induktiven Verbraucher, z. B. einen Wechselstrommotor so betreiben, daß, unabhängig von der Frequenz, die Ausnutzung des Eisens stets an der durch die Sättigung gezogenen Grenze liegt, dann kann man hierzu gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Intensität der periodischen Impulsbreitenschwankungen in Abhängigkeit des aufgenommenen Motorstromes so steuern, daß dieser Strom seine Sinusform nicht verliert, im übrigen aber den größtmöglichen Wert annimmt.If you want an inductive consumer, z. B. an AC motor operate in such a way that, regardless of the frequency, the iron is always exploited is at the limit drawn by the saturation, then one can do this according to a Further development of the invention, the intensity of the periodic pulse width fluctuations depending on the motor current drawn so that this current is its Sinus shape does not lose, but otherwise assumes the largest possible value.
Die Abweichung des Motorstromes von der Sinusform tritt bekanntlich nur dann ein, wenn das Eisen zu stark gesättigt ist. Das bedeutet aber, daß die Induktion die zuträglichen Werte überschreitet. Es muß also die Abweichung des Verbraucherstromes von der Sinusform ermittelt werden und die diese Abweichung beschreibende Größe im Sinn einer Zu steuerung auf den an sich voll aufgesteuerten Eingang 1 a des. Wechselrichters gegeben werden, über den die Intensität der periodischen Impulsbreitenschwankungen einstellbar ist. In F i g. 1 ist dieser Teil der Anordnung gestrichelt dargestellt. Im Punkt 6 wird der Verbraucherstrom erfaßt und im Glied 7 eine die Abweichung des Verbraucherstromes von der Sinusform beschreibende Größe gebildet: Diese wird auf den Eingang 1a gegeben.It is well known that the motor current deviates from the sinusoidal shape only if the iron is too saturated. But that means that the Induction exceeds acceptable levels. So it must be the deviation of the consumer current can be determined from the sinusoidal shape and the variable describing this deviation in the sense of a control on the fully open input 1 a des. Inverter are given over which the intensity of the periodic pulse width fluctuations is adjustable. In Fig. 1, this part of the arrangement is shown in dashed lines. In point 6, the consumer current is detected and in element 7 the deviation of the Consumer current is formed by the variable describing the sinusoidal shape: This is based on given the entrance 1a.
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